Cilt hücreleri biyomürekkeplere dönüştürülebilir ve bunlar daha sonra 3 boyutlu olarak basılarak cildi taklit eden dokular oluşturulabilir.Kredi bilgileri: Wake Forest Rejeneratif Tıp Enstitüsü
Kadının yanıkları ciddi, vücudunun yarısından fazlasının derisi yok oldu. Bu nedenle bu karmaşık dokunun her katmanının greftlerle değiştirilmesi gerekir. Bunların vücudun sağlam kısımlarından kademeli olarak toplanması, laboratuvarda genişletilmesi ve daha sonra yeterli sağlıklı dokunun mevcut olduğu varsayılarak birkaç ay boyunca yaralı bölgeleri kaplayacak şekilde nakledilmesi gerekiyor.
Winston-Salem, Kuzey Carolina’daki Wake Forest Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde rejeneratif tıp uzmanı Anthony Atala gibi araştırmacılar, greftlerin laboratuvarda sipariş üzerine yapıldığı yanık tedavisi için farklı bir vizyona sahip. Klinisyenler dokuyu iyileşirken korumak için halihazırda tasarlanmış tek katmanlı epidermal greftleri kullanıyor ancak bu, iyileşme sırasında enfeksiyonu önlemek için yalnızca geçici bir önlem. Buna karşılık Atala, hastalardan alınan cilt hücrelerini ‘biyomürekkeplere’ dönüştürmeyi hedefliyor; bu hücreler daha sonra 3D olarak basılarak doğal cildin temel işlevlerini kopyalayan, donörle eşleştirilmiş, çok katmanlı dokulara dönüştürülebiliyor. “Neden tam kalınlıkta bir deri tasarlamıyoruz, böylece bunu aslında bir hastanın kendi grefti gibi kalıcı bir greft olarak kullanabilirsiniz?” diye soruyor. 2023 yılında kendisi ve meslektaşları bu hedefe yönelik önemli bir adım atarak pigment, damar sistemi ve hatta saç köklerini içeren üç katmanlı insan derisi grefti basabileceklerini gösterdiler. Bu yaklaşım domuzlarda test edildiğinde ortaya çıkan greftlerin kendilerini çevredeki deriye verimli bir şekilde entegre ettiği görüldü.1.
Doğa Görünümü: Cilt
Bu, cildin temel özelliklerini kopyalayan doku greftlerini tasarlamanın yalnızca bir yoludur. Birçok grup, biyolojik olarak sadık deri ikameleri üretmek için geleneksel hücre kültürü yöntemlerini kullanarak umut verici klinik sonuçlar elde etti. Bu çalışma aynı zamanda toksikoloji ve hastalık araştırmaları için hayvan deneylerine olan ihtiyacı azaltabilecek ve daha bilgilendirici tahminler sunabilecek gelişmiş cilt modellerinin geliştirilmesini de körüklüyor. New York Troy’daki Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nden kimya mühendisi Pankaj Karande, “Fare olmadığımız gerçeğini görmezden gelmek giderek zorlaşıyor” diyor.
Böbrek veya akciğerin mimari karmaşıklığından yoksun, düz, düzgün katmanlı bir doku olarak cilt, doku mühendisliği çabaları için açık ve çekici bir hedeftir. Ancak cilt hala hücresel ölçekte dikkate değer bir karmaşıklık sergiliyor ve araştırmacılar bunu tehlikeye atarak hafife alıyor. Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde yanık tedavisinde uzmanlaşan cerrah Angela Gibson, “Bir organ naklediyoruz” diyor. “Sorun şu ki, bir organ yaratmamız gerekiyor.”
Katmanlı bir sorun
İnsanlar cilt hakkında düşündüklerinde genellikle epidermise odaklanırlar. Birbirine sıkı bir şekilde bağlanan keratinosit hücrelerinden oluşan bu dış katman, enfeksiyona ve yaralanmaya karşı koruyucu bir bariyerdir ve kozmetikler, topikal ilaçlar ve öpücükler için temas noktasıdır. Keratinositlerin ince epidermal katmanlara kültürlenmesi oldukça basittir ve tasarlanmış epidermis artık hem klinik hem de araştırma uygulamaları için ticari olarak mevcuttur.
Ancak epidermis sadece derinin en dış kabuğudur. Cildin temel fizyolojik fonksiyonlarının çoğu, epidermisi destekleyen ve koruyan kalın, alttaki dermal tabakada meydana gelir. Sonuç olarak Gibson, tek katmanlı epidermal kültürlerin “süper kırılgan” olduğunu söylüyor. Bu nedenle araştırmacılar son birkaç on yılı, keratinosit bazlı bir epidermal tabakayı fibroblastlar olarak bilinen hücrelerden oluşan bir dermal tabaka ile birleştiren modeller geliştirmekle geçirdiler. Bu hücreler bir kişiden kolayca alınabiliyor, kültürde çoğaltılabiliyor ve daha sonra genetik ve immünolojik olarak o kişinin cildiyle eşleşen iki katmanlı modeller halinde bir araya getirilebiliyor.
Madrid III. Carlos Üniversitesi’nde biyomühendis olan Diego Velasco, her iki katmanın da aynı anda inşa edildiği bir yaklaşımı tercih ediyor. Ekibi, fibroblastları, pıhtılaşma ve doku onarımında çok önemli bir role sahip bir protein olan fibrin içeren bir jele yerleştirerek ve ardından jelin üzerine keratinositleri katmanlayarak dermisi oluşturuyor. Velasco’nun grubu daha sonra en üstteki hücre katmanını havaya maruz bırakırken düzeneğin geri kalanını sıvı kültür ortamına batırılmış halde bırakıyor; bu da cildin sert dış yüzeyi olan stratum korneum’u içeren olgun bir epidermal katmanın oluşumunu tetikliyor. Dermisin olgunlaşması bu katmana göre daha uzun sürer ve fibrin-jel matrisi önemli bir faktördür. Velasco, “Fibrin kullanıyoruz çünkü sonuçta yara iyileşme aşamasını taklit ediyoruz” diyor.
Kanada’nın Quebec kentindeki Laval Üniversitesi’nde cerrah olan Véronique Moulin ve meslektaşları işin çoğunu hücrelerin yapmasını tercih ediyor. Ekibin ‘kendiliğinden oluşan deri ikamesi’ (SASS) için fibroblastlar ve keratinositler ayrı aşamalarda kültürleniyor. Başlangıçta fibroblastlar, herhangi bir sentetik jele ihtiyaç duymadan kendi matrislerini üretmelerine ve fonksiyonel dermal doku oluşturmalarına olanak tanıyan koşullar altında büyütülür. Dermal katman bir araya getirildikten sonra, epidermisin oluşumunu başlatmak için keratinositler üstüne ekilir. Moulin, “Sorun şu ki, bu uzun bir süreç; iki ay beklememiz gerekiyor” diyor. Bu, Velasco’nun yaklaşımının yaklaşık iki katı kadar sürüyor.
Sağlam bir kültür ve montaj süreci uygulandığında, insan derisinin temel histolojik, moleküler ve mekanik özelliklerini kopyalayan epidermal-dermal düzenekler kolaylıkla üretilebilir. Hollanda’daki Amsterdam Üniversitesi Tıp Merkezi’nde hücre biyoloğu olan Sue Gibbs, “Kültür konusunda makul deneyimi olan ve iyi bir standart çalışma prosedürüne sahip olan ve tercihen bunu yapan bir laboratuvarı ziyaret edebilen herkesin bunu yapabileceğini söyleyebilirim” diyor. Ancak bu modeller, doku onarımının boyutuna veya istenen karmaşıklığa bağlı olarak yine de gerçeği yansıtmayabilir. in vitro modeli.
Örneğin birçok grup damar sistemini dermal katmana dahil etmenin yollarını arıyor. İsviçre’deki Zürih Üniversitesi’nden doku mühendisi Agnes Klar, “Aslında yara iyileşmesi için en önemli şey bu” diyor. Dermisin altında, cildin devamlılığı için gerekli olan metabolik faktörleri ve sinyal moleküllerini üreten hipodermis adı verilen önemli bir üçüncü katman vardır. Klar’ın ekibi, çalışan bir damar sistemi içeren üç katmanlı deri ikameleri geliştirmeyi başaran az sayıdaki ekipten biri.2. Ancak Klar, tüm bu hücre türlerini kimliklerini korurken sürdüren kültür koşullarını ve ortamlarını seçmenin hala zor olduğunu söylüyor.
Deri ayrıca organın temel görevlerini yerine getirebilmesi için gerekli olan sinirleri, pigment sağlayan melanositleri, bağışıklık hücrelerini, ter bezlerini ve saç köklerini de içerir. Karande, “Saç kökleri kök hücreler için gerçekten bir yuva sağlıyor” diyor. “Yara iyileşmesine yardımcı olacak ajanlar haline geliyorlar.” İlgili hücrelerin sayısı arttıkça doku mühendisliği görevinin karmaşıklığı da artar.
3D biyobaskı yardımcı olabilir. Karande, 15 yılı aşkın bir süredir bu yaklaşım üzerinde çalışıyor ve başlangıçta hücreleri, sağlam, ısıya dayanıklı polimerlerle kullanılmak üzere tasarlanmış yazıcılardan geçebilecek biyomürekkeplere dönüştürmenin bir mücadele olduğunu belirtiyor. Ancak o, Atala ve diğerleri, yaklaşımın birçok hücre tipinin karmaşık bir dokuya hassas bir şekilde yerleştirilmesini sağlayabileceğini gösterdi. 2023 modelinde donörden türetilmiş altı hücre tipini içeren Atala, “Sadece birkaç hücre tipiyle başladık ve daha sonra izole edip genişletebileceğimiz hücre sayısını artırmaya devam ettik” diyor.1.
Sipariş üzerine yapılan greftler
Pek çok klinik senaryoda, fizyolojik olarak sadık deri ikamelerinden faydalanılabilir; örneğin, kötü yönetilen diyabetli kişilerde oluşabilen kalıcı ülserlerin ele alınması. Ancak Gibson ve diğerleri, ciddi yanıkların tedavisini kısa vadede en büyük fırsatlara sahip alan olarak görüyorlar.
Mevcut tedavi, hastanın kendi vücudundan toplanan ‘otogreftlerin’ uygulanmasını içermektedir; Küçük cilt parçaları bile zamanla daha büyük greftler oluşturmak için yavaşça gerilebilir. Ancak greftin yaralı dokunun kalınlığına uyması gerekiyor ve eğer yanıklar çok genişse seçenekler zor. Moulin, “Vücudunuzun %50’sinden fazlası yanmışsa, eklenecek yeterli miktarda yanmamış deri bulmak her zaman zordur” diyor. “Genellikle hastalar yanık ünitesinde birkaç ay kalıyor.”
Mevcut doku ikameleri sınırlıdır. Cambridge, Massachusetts’teki bir şirket olan Vericel, yüzeysel yanıkları onarabilen, hastadan alınan epidermal tabakalar olan Epicel greftlerini sunuyor. Epicel, dermal katmanın ciddi şekilde hasar gördüğü tam kalınlıktaki yanıkların otogreft aracılı onarımını hızlandırabilir ancak tek başına yeterli bir cilt ikamesi değildir. Gibson, bu derin yanıkları, alttaki kirin ve köklerin zarar göreceği kadar yoğun bir şekilde biçilen bir çime benzetiyor; Yeniden büyümenin gerçekleşmesi için yeni çime ihtiyaç duyulacaktır. Yaralar, Canton, Massachusetts’te Organogenez tarafından geliştirilen, hem dermal hem de epidermal katmanları içeren Apligraf gibi insan dokusu greftleriyle kapatılabilir. Ancak bunlar donörle uyumlu değildir ve otogreftler mevcut olana kadar yalnızca geçici kaplama görevi görür.
Ciddi yanıklar (solda), hayatta kalan deriyle uyum sağlayan ‘SASS’ greftleriyle tedavi edilebilir (sağda).Kredi: REF. 3
Birkaç araştırma grubu kliniğe daha gelişmiş, hasta kaynaklı dermal-epidermal greftler getirdi. Örneğin, SASS şu anda Kanada’da geniş, ciddi yanıkları olan kişilerde klinik testlere tabi tutuluyor. Vücudunun en az yarısını kaplayan yanıkları olan 14 kişiyle 2018 yılında yapılan bir çalışmada araştırmacılar, laboratuvarda üretilen SASS dokusunun hemen hemen her parçasının, tüm greftlerde ortalama %95’lik bir ortalama başarı oranıyla çevredeki cilde başarılı bir şekilde entegre olduğunu gösterdi.3. Daha da önemlisi, bu greftlerin tümü, minimum yara iziyle ve gerçek deriye benzer fiziksel ve mekanik özelliklerle sekiz yıla kadar bozulmadan kaldı. Ekibi şu anda yanıklı 52 kişiyle daha büyük bir deneyin ortasında olan Moulin, “Plastik cerrahlar ve hastalar da çok mutlu” diyor.
İsviçre’nin Schieren kentinde bulunan Cutiss adında yeni bir şirket, Klar ve meslektaşları tarafından geliştirilen iki katmanlı deri ikamelerini ticarileştiriyor. Şubat ayında Cutiss, ciddi yanıklar veya rekonstrüktif cerrahi sonrası çocukları ve yetişkinleri tedavi eden, tasarlanmış denovoSkin greftleriyle ilgili iki faz II klinik denemesinden olumlu ara sonuçlar bildirdi. Sonuçlar henüz yayınlanmadı ancak Klar, katılımcıların “çok az yara izi olan, çok iyi bir cilde” sahip olduklarını söylüyor. Amerika Birleşik Devletleri ve Avrupa’da bir avuç insan bu tedaviyi insani amaçlı kullanım muafiyetleri yoluyla elde etti ve şirket şu anda Avrupa’da III. Aşama denemesine başlıyor.
Greft üretmek için gereken süre büyük bir darboğaz olmaya devam ediyor. SASS greftleri için, her iki haftada bir kabaca 1.000 santimetrekarelik işlenmiş deri üretmek artık mümkün; ancak Moulin, bu seviyedeki üretime hazırlanmanın iki ay sürdüğünü belirtiyor. 3D biyobaskı işleri hızlandırabilir. Atala, biyopsiden cilt yerine geçecek ürünü basmak için yeterli hücresel biyomürekkebe ulaşmanın yaklaşık altı hafta sürdüğünü, implantasyondan önce ise bir hafta daha gerektiğini söylüyor. Bunu istikrarlı ve tekrarlanabilir bir üretim sürecine dönüştürmek biraz çaba gerektirecek ancak Karande, ölçeği büyütme fırsatları görüyor. “Bunu çoğaltabilirseniz, tek bir yazıcının tam boyutlu bir cilt sayfası basmasını beklemek zorunda kalmazsınız” diyor. “Bunu aynı anda on yazıcıya yaptırabilirsiniz.”
Laboratuvarda tasarlanmış cilt ile elde edilebilecek gelişmişlik ile klinikte mümkün olan arasında bir boşluk bulunmaktadır. Bu kısmen, genellikle nispeten basit doku yapılarına odaklanan klinik araştırmacıların, rejeneratif müdahaleleri olabildiğince hızlı bir şekilde gerçekleştirmeye yönelik bilinçli bir kararının sonucudur. Vücudunun %95’ini etkileyen yanıkları olan bir kişiyi ele alalım. Klar ve meslektaşlarının çalışmalarını koordine eden Zürih Üniversitesi’nden doku mühendisi Thomas Biedermann, böyle bir durumda “en önemli şey, cerrahın yarayı kapatmak istemesidir” diyor. Ancak ekibin gelecekteki klinik programlar için büyük planları var; bunlara kan damarlarıyla birlikte hipodermal tabakayı da içeren üç katmanlı greftler ve donörün cildiyle eşleşen pigmentasyon da dahil.
Özellikle müdahaleler daha karmaşık hale geldikçe, güvenli ve etkili hücre bazlı tedavilerin tekrarlanabilir şekilde üretilmesinin doğasında var olan zorluklar nedeniyle bu alanda klinik gelişim özellikle zordur. Örneğin Klar ve Biedermann, düzenleyicileri, cilde doğal rengini veren ve Güneş’in vereceği hasara karşı koruyan melanosit içeren greftlere izin vermeye nasıl ikna edecekleri ile boğuşuyor. Klar, “Herkes melanoma yakalanmaktan korkuyor” diyor. “Ve vaskülarizasyonla birlikte ikisini bir araya getirirseniz melanom daha da hızlı olabilir.” Bu tür güvenlik kaygıları, tasarlanmış aşı teknolojilerinin geliştirilmesini yavaş ve kasıtlı bir süreç haline getiriyor.
Gelişmiş bir kültür
Klinik geliştirmenin zorlukları bazı araştırmacıları klinik gelişime odaklanmaya teşvik etti. in vitro iş. Gibbs, Amsterdam merkezli A-Skin adlı yeni kurulmuş bir şirket aracılığıyla, uzun süreli yaraları olan kişilerde kullanılmak üzere tasarlanmış deri ikameleri geliştirmek için on yıldan fazla zaman harcadı. Fon tükenince yeni nesil laboratuvar modelleri geliştirmeye yöneldi.
Bir araştırma ortamında doku mühendisleri, bilimsel soruyla en alakalı fonksiyonel bileşenleri dahil ederek ve geri kalanını göz ardı ederek veya düzene koyarak cilt yapılarını düzeltme konusunda daha fazla esnekliğe sahiptir. Gibbs, “Onları mümkün olduğunca basit ve gerektiği kadar karmaşık hale getiriyorsunuz” diyor. Örneğin, tamamen işlevsel saç köklerinin yerleştirilmesi zordur, ancak Velasco’nun ekibi potansiyel bir alternatif belirlemiştir. Bunun yerine araştırmacılar, kimyasallara maruz kalmanın erken foliküler gelişimi ve saç büyümesini nasıl etkilediğine dair bir fikir edinmelerine olanak tanıyan, dermal papilla hücreleri olarak bilinen jel kapsüllü folikül öncü hücreleriyle çalışıyorlar.
Nature Outlooks’tan daha fazlası
Araştırmacılar daha sonra bu dokuları hayvanlara aşılama seçeneğine sahipler. Örneğin Moulin, yara izi süreci hakkında daha fazla bilgi edinmek için SASS modeliyle kemirgen çalışmaları gerçekleştiriyor. Ancak çok katmanlı cilt modelleri, çeşitli bölmeleri birbirine bağlayan sıvı dolu kanallarla, birden fazla dokunun mühendislik versiyonlarının tek bir cihazda yetiştirildiği ‘çip üzerinde vücut’ sistemlerine de dahil edilebilir. Bu tür sistemler, vücudun basitleştirilmiş bir versiyonu üzerinde sıkı kontrole izin veriyor ve hastalığa veya tedaviye verilen tepkinin gerçek zamanlı izlenmesini sağlayan sensörlerle birleştirilebiliyor.
Gibbs, çok katmanlı deri örneklerinin, damar sistemini ve lenfatik sistemleri taklit eden özel olarak tasarlanmış, hücre kaplı kanalların kullanımı yoluyla lenf düğümü modellerine bağlandığı bir çip geliştiriyor. Amaçlardan biri, bu modeli melanomu ve tümörlerin ilerleyip yayıldığı veya metastaz yaptığı mekanizmaları incelemek için kullanmaktır. Ancak benzer bir çip üzerinde gövde tasarımının, çeşitli dermatolojik rahatsızlıkların araştırılmasında geniş ölçüde yararlı olabileceğini düşünüyor. “Neredeyse tüm cilt hastalıkları bağışıklık aracılı” diyor. “Modellerinizde bir bağışıklık sistemine ihtiyacınız var ve hayvan modellerini kullanamazsınız çünkü bunlar insan tepkilerini yeterince temsil etmiyor.”
Cilt dokusu mühendisliğinin bu iki alanı (yara onarımı için yeni nesil greftlerin yetiştirilmesi ve araştırma için karmaşık modellerin mühendisliği) birbirini tamamlayıcı niteliktedir. Klinik uygulamalara odaklanan birçok grup, laboratuvardaki modellerinin net değerini ve bu modelleri geliştirmek ve optimize etmek için harcanan zamanı da net bir şekilde görüyor in vitro Ve canlı terapötik kullanımlarını hızlandırabilir.
Büyük miktarlarda, ayrıntılı, hastaya özel greftlerin hızlı bir şekilde bir araya getirilmesine daha yıllar var, ancak çarklar hareket halinde. Atala’nın ekibi artık 3D baskılı dokuları insanlarda test etmenin bir başlangıcı olarak daha tekrarlanabilir ve verimli üretim süreçleri üzerinde çalışıyor. Başarılı bir yaklaşım oluşturulduktan sonra, bir kağıt mendil fabrikası kurma fikri artık o kadar da uzak bir fikir değil. Karande, “Bunu yarı iletken çiplerden araba parçalarına kadar her şeyde yapıyoruz” diyor. “Peki bu neden biyolojide yapılamıyor?”
News
